【研究成果のポイント】
①光合成を行うシアノバクテリアは、異なる光に応じて最適な光合成ができるよう、光合成に使う光の色を切り替えています。たとえば、一部のシアノバクテリアは、赤い光を使う光合成から緑の光を使う光合成へ、あるいはその逆へと、切り替えることができます。この現象は1世紀以上も前から知られていましたが、どのように緑と赤の光を見分けているのか、詳しいメカニズムはわかっていませんでした。
②今回、シアノバクテリアが赤い光と緑の光を見分けるために使っている「光スイッチ分子」において、緑の光を感知するときの構造を明らかにしました。同グループが以前に発表した、赤の光を感知するときの構造と比較することで、光スイッチ分子がどのように緑と赤の光を感知しているのかを解明することができました。明らかになったメカニズムは、植物などの他の生物の光スイッチには報告例のない、まったく新しいものでした。
③この成果は、光合成生物が環境の変化にどのように臨機応変に適応して光合成を行っているのかを解き明かすだけでなく、光によって生物の機能をコントロールするオプトジェネティクス（光遺伝学）のより良いツール作りにもつながると期待されます。

【概要】

シアノバクテリアは、赤色光と緑色光の存在を感知して、光合成の光をより効率よく吸収するためのアンテナ分子の組成を調節します。

本研究グループは、届く光に応じて自らの構造を変えることで吸収する波長を切り替えるスイッチとしてはたらくタンパク質であるRcaEに着目し、その緑色光吸収状態（Pg）のX線結晶構造の解明に世界で初めて成功しました。RcaEは光を受け取る色素である「ビリン発色団」とそれを取り囲むタンパク質からできています。

以前報告したRcaEの赤色光吸収状態（Pr）との構造の比較により、ビリン発色団の構造が変わるだけでなく、位置も大きくずれ、ビリンを包み込むタンパク質に「水の通り道」の出現・消失を引き起こすことが明らかとなりました。

ビリン発色団の構造をNMR（核磁気共鳴分光法）や量子化学計算と呼ばれる手法で詳細に調べると、緑色光吸収状態では、疎水的な環境に置かれたビリン発色団における特定の部位の水素原子（プロトン）が外れ、それによってビリン発色団の結合状態が変わり、吸収する光の波長が大きく短波長側（赤色主体から緑色主体）へとシフトすることが明らかとなりました。

この解析から、ビリン発色団を取り囲む化学的な性質を親水性と疎水性の間で切り替え、吸収する波長を制御しているという新しいメカニズムの存在を実証することができました。

本研究の成果は、光合成の環境応答のメカニズムの理解への貢献や、光遺伝学などの応用研究の進展への貢献も期待されます。

【詳細】

シアノバクテリアは、地球の物質循環や生態系に大きな影響を与えることが知られています。シアノバクテリアは多様な環境下で光合成を行うために、光環境の変化に応じて光合成機能を柔軟に調節する能力を進化させてきました。

近年の研究によって、シアノバクテリアはビリン発色団を結合した光受容タンパク質の一群である「シアノバクテリオクロム」を持ち、様々な光の色を感知する能力を持つことが明らかとなりつつあります。特に、緑色光と赤色光を感知するシアノバクテリオクロムRcaEは、光合成アンテナタンパク質のかたちや吸収する光の色を調節する「光スイッチ」としてはたらくことが明らかとなっています（図１）。

この能力は「光色順化」と呼ばれ、光合成生物における環境応答の代表的な例として１世紀以上も前から知られています。本研究グループは以前に、2つの状態をとるRcaEの一方の状態である赤色光吸収状態（Pr）の構造の解明に成功していました（図２）。

しかし、もう一方の緑色光吸収状態（Pg）の構造は明らかになっておらず、光照射によってどのような構造変換が起きているのかは謎に包まれていました。

図１：シアノバクテリオクロムRcaEによる光色順化の制御

図２： RcaEタンパク質の光変換と吸収スペクトルの変化

今回、シアノバクテリオクロムRcaEのPg状態の構造とその詳細の解析に、4つの手法を組みわせたアプローチで挑戦しました。X線結晶構造解析、ビリン発色団の化学合成、NMR測定、量子化学計算です。

これらの解析には国内研究者総勢17名が参画し、豊橋技術科学大学応用化学・生命工学課程　藤田雄也氏、博士前期課程　加茂尊也氏（当時）、濱田雅子技術補佐員、浴俊彦教授、広瀬侑准教授らの研究グループ、東京薬科大学薬学部　永江峰幸助教、青山洋史准教授、三島正規教授らのグループ、佐賀大学理工学部　瀬戸涼香氏、藤澤知績准教授、海野雅司教授らのグループ、金沢大学大学院自然科学研究科物質化学専攻博士前期課程　土田竜也氏（当時）、添田貴宏准教授、宇梶裕教授らのグループ、大阪大学蛋白質研究所　宮ノ入洋平准教授、自治医科大学医学部生理学講座　佐藤文菜講師、東京都立大学大学院理学研究科　伊藤隆教授が協力して研究に取り組みました。

本研究結果は米国の科学誌「Science Advances」に2024年6月12日（水）午後2:00（米国東部時間）オンライン掲載されました。

プレスリリース資料はこちらをご覧ください。

【論文情報】
論文タイトル：Green/red light-sensing mechanism in the chromatic acclimation photosensor
著者名：Takayuki Nagae, Yuya Fujita, Tatsuya Tsuchida, Takanari Kamo, Ryoka Seto, Masako Hamada, Hiroshi Aoyama, Ayana Sato-Tomita, Tomotsumi Fujisawa, Toshihiko Eki, Yohei Miyanoiri, Yutaka Ito, Takahiro Soeta, Yutaka Ukaji, Masashi Unno, Masaki Mishima, and Yuu Hirose
雑誌：Science Advances
掲載日：2024年6月12日（水）午後2:00（米国東部時間）
URL: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn8386
DOI：10.1126/sciadv.adn8386

研究者からひと言

本研究では、ビリン発色団のプロトン化状態を解明するうえで、15N NMR測定が重要な役割を担いました。
15N核の高感度NMR測定技術は、低分子化合物の構造解析だけでなく、蛋白質中のアミノ酸残基側鎖のイオン化状態の解析にも活用することができ、相互作用様式の解明において重要な情報を与えます。今後も、本技術を活用して、さまざまな蛋白質の機能解明を目指していきたいです。

高磁場NMR分光学研究室（宮ノ入研）
http://www.protein.osaka-u.ac.jp/rcsfp/apc/nmr/index.html